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Carbonfasern - leichter und fester als Stahl

by Rosenmaier Armin

Die Grundlage zur Herstellung von innovativen Faserverbundwerkstoffen mit Hilfe von Carbon-, Glas-, Aramid- oder Naturfasern liegt in der Bionik. Der Begriff der Bionik steht für die Erforschung und den Transfer von effizienten Problemlösungen der Natur in technische Anwendungen. Die natürlichen Vorbilder werden dabei nur selten ident in die Technik übertragen. Viel eher gilt esdie biologischen Grundprinzipien zu erkennen und zu entschlüsseln, um in weiterer Folge daraus technisch brauchbare Anwendungen generieren und entwickeln zu können. Die Kombination von verschiedenen Materialien zur Erzeugung neuer Werkstoffverbunde mit verbesserten Eigenschaften ist demnach ein solches Prinzip der Bionik, welches seine Ursprünge in der Natur hat und heute vermehrt Anwendung in verschiedensten industriellen Bereichen findet. Der strukturelle Aufbau von Holz oder Knochen gilt in etwa als Grundlage für die Entwicklung neuer Werkstoffverbunde. Bäume und Knochen zeichnen sich beispielsweise dadurch aus, dass sie an stark beanspruchten Zonen zusätzliches Material aufbauen und an weniger belasteten Bereichen Material abbauen, um Gewicht einzusparen. Diese Eigenschaft ist auf die intelligente anisotrope (richtungsabhängige Materialeigenschaften) Anordnung ihrer natürlichen Faserstränge zurückzuführen.  Auf Basis dieser Erkenntnisse werden demnach auch innovative Faserverbundwerkstoffe konstruiert und erzeugt. 

carbon-composite

Jene Faserverbundwerkstoffe entstehen durch die Einbettung von hochbelastbaren Fasern in ein lasteinleitendes Matrixsystem. Dabei muss, wie bei den natürlichen Vorbildern, speziell auf die Ausrichtung der Faser innerhalb des Verbundes geachtet werden. Eine Anordnung der hochbelastbaren Fasern in Kraftflussrichtung resultiert demnach in hoher Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht des Verbundwerkstoffes. Einer der heutzutage meistverwendeten Faserverbundwerkstoffe ist carbonfaserverstärkter Kunststoff, kurz CFK. Bei CFK werden Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff/Carbon in Bettungsmassen aus unterschiedlichen Harzsystemen eingebunden.  Um in der Verarbeitung die geeigneten und geforderten Werkstoffeigenschaften für eine bestimmte Anwendung gewährleisten zu können, spielt die Wahl der richtigen Carbonfasern eine wesentliche Rolle.

Dieser Blog sollte aufgrund dessen einen Überblick über das Thema Carbonfasern schaffen. Wie Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff hergestellt werden, welche unterschiedlichen Fasertypen dabei erzeugt werden und welche Vorteile die jeweiligen Typen mit sich bringenist daher Thema dieses Beitrags.


Inhaltsverzeichnis:

Wie werden Carbonfasern hergestellt?
Welche Carbon-Fasertypen gibt es?
Wie werden Carbonfasern verarbeitet?
Wo werden carbonfaserverstärkte Kunststoffe eingesetzt?

Wie werden Carbonfasern hergestellt?

Generell werden zur Herstellung von Verstärkungsfasern aus Carbon zwei Verfahren angewendet. Die beiden Verfahren unterscheiden sich im Wesentlichen im Einsatz unterschiedlicher Precursoren. Ein Precursor stellt, einfach beschrieben, den Ausgangsstoff dar, welcher in eine Reaktion eingeht. Demnach wird zur Carbonfaser-Herstellung entweder Polyacrylnitril oder Pech verwendet. Am weitesten verbreitet sind heutzutage Carbonfasern auf Basis von Polyacrylnitril (PAN). Grund dafür sind die Kosten- und Stabilitätsvorteile jener Faser. Vor allem zeichnen sie sich durch ihre hohe Zugfestigkeit aus.

Durch Pyrolyse (Karbonisierung durch Erhitzung) und anschließender Endbehandlung unter Temperatureinfluss des kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials Polyacrylnitril entstehen letztendlich die fertigen Carbon-Verstärkungsfasern. Weil die Pyrolyse unter sehr hohe Temperaturen stattfindet, werden dementsprechend Materialien verwendet, welche keinen messbaren Schmelzpunkt haben. Die produzierten Fasern selbst bestehen zu ca. 96-98% aus reinem Kohlenstoff und haben einen Durchmesser < 9 Mikrometer. Reiner Kohlenstoff ist unlöslich und unschmelzbar und ist somit ungeeignet für die Faserproduktion. 

Herstellung CarbonfaserAbbildung 1: Prozesswege zur Herstellung von Kohlenstofffasern

Welche Carbon-Fasertypen gibt es?

Die Höhe der Temperatur in der Endbehandlung ist ausschlaggebend für die Eigenschaften der fertigen Faser. Je nach Behandlungstemperatur weisen die Carbonfasern  unterschiedliche Charakteristiken auf. Unterschieden wird dabei zwischen hochfesten Fasern (HT), Zwischenmodulfasern (IM), Hochmodulfasern (HM) und Ultrahochmodulfasern (UHM). Folgende Listung zeigt die Behandlungstemperaturen je nach Fasertyp:

  • Hochfeste-Fasern (HT): 1200-1500°C
  • Zwischenmodulfasern (IM): 1500-1800°C Hochmodulfasern und
  • Ultrahochmodulfasern (HM und UHM): bis 3000°C

HT-Fasern sind die klassischen Hochleistungs-Carbonfasern und zeichnen sich durch hervorragende Eigenschaften unter Zug- und Druckbeanspruchung aus. Daher werden solche „High Tenacity-Fasern“ gerne in der Luftfahrt eingesetzt. IM-Fasern werden dann eingesetzt, wenn eine erhöhte Steifigkeit  bei gleichzeitig erhöhter Zugfestigkeit benötigt wird. HM- und UHM-Fasern kommen dann zum Einsatz, wenn Anwendungen eine überlegene Steifigkeit beanspruchen. Somit werden diese in etwa für Satellitenkomponenten, Antennen, Bootsmasten oder hochsteife Rohre verwendet.

Carbon Rohre

Eigenschaften Carbon Abbildung 2: Gegenüberstellung der unterschiedlichen Faserklassen in Hinsicht auf deren Zugfestigkeit und E-Modul

Material  Zugfestigkeit [GPa] E-Modul [GPa]
Aluminium  0,35 75
Stahl 1,1 210
CFK - HT 2,5 - 5 200 - 280
CFK - IM  3,5 -7  280 - 350 
CFK - HM 2,5 - 5 350 - 600
CFK - UHM 2,5 - 4 600 - 900

Tabelle 1: Gegenüberstellung der unterschiedlichen Faserklassen in Hinsicht auf deren Zugfestigkeit und E-Modul

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Wie werden Carbonfasern verarbeitet?

Die einzelnen Fasern werden in mehreren Bündeln (Rovings) zusammengefasst und auf Spulen gewickelt. Ein Roving kann aus bis zu 24.000 einzelnen Fäden bestehen. Jene Rovings  können sowohl direkt zu einem Endprodukt, als auch zu einem Halbzeug verarbeitet werden. Verfahren, wie das Filamentwickelverfahren oder das Profilziehverfahren ermöglichen esfertige Bauteile direkt aus Carbonfasern herzustellen. Beim Filamentwickelverfahren wird ein in Harz getränktes Roving auf einen Wickelkörper platziert und ausgehärtet. Dadurch können beispielsweise Rohre hergestellt werden. Durch das Profilziehverfahren können durchgehend Profile hergestellt werden, indem ein mit Harz versehenes Roving durch eine beheizte Form gezogen wird. 

CFK Roving

Bei der Verarbeitung zu Halbzeugen werden die frisch produzierten Carbonfaser-Bündel zusammen mit einer Bindersubstanz zu sogenannten Gelegen oder Geweben verbunden. Konkret handelt es sich dabei um flächige Textilien. Die Carbonfaser-Bündel werden dabei in unterschiedlichen Winkeln ausgelegt und mithilfe eines Kettfadens nach konkreten, vorab definierten Mustern ausgerichtet. Bei Carbon Prepregs kommt anschließend ein Binder hinzu, welcher aufgestreut und erwärmt wird. Die entstandenen Gelege / Gewebe werden schließlich auf Breite geschnitten und aufgerollt.

Hersteller Carbonteile

Wo werden carbonfaserverstärkte Kunststoffe eingesetzt?

Aufgrund seines geringen Gewichts, der hohen Funktionalität und der enormen Beständigkeit, wie auch seiner optischen und haptischen Vorzüge ist Carbon heutzutage ein äußerst attraktives Material zur Herstellung verschiedenster Produkte. Die Einsatzgebiete reichen dabei von säurebeständigen Carbon-Gehäusen für die Messtechnik bis hin zu Interior-Komponenten für die Luftfahrt. Bei der richtigen Auslegung und Konstruktion kann CFK demnach beinahe in allen industriellen Bereichen eingesetzt werden. Folgende Listung zeigt ein paar der Branchen, in welchen Carbon eingesetzt wird und welche Bauteile daraus entstehen:

  • Raumfahrt: Primärstrukturen, Solarpanele, Instrumententräger
  • Luftfahrt: Rumpf- und Flügelstrukturen, Innenausbauten, Verschalungen, Rotorblätter
  • Rennsport: Chassis, Radaufhängung, aerodynamische Strukturen, Luftführungen, Monocoque
  • Bootsbau: Masten, Dächer, Rumpfstrukturen von Hochleistungsschiffen
  • Maschinenbau: Roboterarme, schnell laufende Maschinenteile, thermostabile Maschinentische
  • Medizintechnik: Röntgentransparente Liegen, Prothesen (Gehhilfen, außerhalb Körper)
  • Messtechnik: Thermostabile Geräteträger, optische Bänke, Gehäuse
  • Wehrtechnik: Komponenten für militärische Fahrzeuge, Ausrüstung für Soldaten, Infrastruktur für den Einsatz, Strukturen für Plattformen und Launcher Systeme


Carbonteil

Fazit

Je nach Anwendung und Anforderungen eines Bauteils aus CFK spielt die Wahl der richtigen Fasertypen und Matrixsysteme eine große Rolle. Durch die Wahl der richtigen Fasertypen kann spezifisch auf die Anforderungen in Hinsicht auf benötigte Bauteileigenschaften eingegangen werden. Die sorgfältig ausgewählten Carbonfasern werden nach der Zusammenfassung zu Faserbündeln, sogenannten Rovings, entweder direkt zu Endprodukten oder auch zu Halbzeugen weiterverarbeitet werden. Aufgrund der hervorragenden Eigenschaften dieser Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff kann CFK letztendlich in beinahe allen industriellen Bereichen eingesetzt werden.

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Carbon CFK Autoklaventechnik Herstellung.jpg

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